DE102018210265B4 - Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston - Google Patents

Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston Download PDF

Info

Publication number
DE102018210265B4
DE102018210265B4 DE102018210265.1A DE102018210265A DE102018210265B4 DE 102018210265 B4 DE102018210265 B4 DE 102018210265B4 DE 102018210265 A DE102018210265 A DE 102018210265A DE 102018210265 B4 DE102018210265 B4 DE 102018210265B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piston
segment
chamber
oil
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102018210265.1A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102018210265A1 (en
Inventor
Hans Günther Quix
David van Bebber
Antonio Farina
Herbert Ernst
Richard Fritsche
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Priority to DE102018210265.1A priority Critical patent/DE102018210265B4/en
Priority to US16/450,803 priority patent/US11193416B2/en
Priority to CN201910546528.1A priority patent/CN110630401A/en
Publication of DE102018210265A1 publication Critical patent/DE102018210265A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102018210265B4 publication Critical patent/DE102018210265B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/044—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of an adjustable piston length
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/02—Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2700/00—Mechanical control of speed or power of a single cylinder piston engine
    • F02D2700/03—Controlling by changing the compression ratio

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden (2) mit einer Mulde (3) aufweist, wobei der Kolben (1)- zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum (10) eines zugehörigen Zylinders mit ausbildet,- unter Verwendung eines Kolbenbolzens (4) mit einem Ende (5a) einer Pleuelstange (5) gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (5) zur Koppelung des Kolbens (1) mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,- bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse (6) oszilliert,- modular aus mindestens zwei Segmenten (1a, 1b) aufgebaut ist, wobei ein die Mulde (3) umfassendes erstes Kolbensegment (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) - zwischen einem unteren Anschlag (7a) und einem oberen Anschlag (7b) - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment (1b) gelagert ist, und- mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung (8) zum Verschieben des ersten Kolbensegments (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) ausgestattet ist,dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstelleinrichtung (8)- eine erste Kammer (8a) umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem unteren Anschlag (7a) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via eine Zuführleitung (9a) mit Öl beaufschlagbar ist, und- eine zweite Kammer (8b) umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem oberen Anschlag (7b) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via einer Rückführleitung (9b) mit einem Ölkreislauf (9) zumindest verbindbar ist, und- der Kolben mit einer Ölkühlung (14) ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal (14a) umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment (1b) erstreckt und das erste Kolbensegment (1a) umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung (9b) in den mindestens einen Kühlkanal (14a) der Ölkühlung (14) mündet.Piston (1) for an internal combustion engine for realizing a variable compression ratio ε, which has a piston head (2) with a cavity (3), the piston (1) - together with a cylinder tube and a cylinder head, a combustion chamber (10) of an associated cylinder with forms - using a piston pin (4) with one end (5a) of a connecting rod (5) can be connected in an articulated manner, wherein the connecting rod (5) for coupling the piston (1) to a crankshaft with another end to the crankshaft of the internal combustion engine can be connected in an articulated manner, - oscillates along a longitudinal piston axis (6) when the crankshaft rotates, - is constructed modularly from at least two segments (1a, 1b), with a first piston segment (1a) encompassing the recess (3) along the longitudinal piston axis (6) - is displaceably mounted in a second piston carrier segment (1b) between a lower stop (7a) and an upper stop (7b), and- with a hydraulic adjusting device g (8) for displacing the first piston segment (1a) along the longitudinal axis (6) of the piston, characterized in that the hydraulic adjusting device (8) comprises a first chamber (8a) which is located between the first piston segment (1a) and the lower stop (7a) of the second piston carrier segment (1b) and can be acted upon by oil via a supply line (9a), and a second chamber (8b) which is located between the first piston segment (1a) and the upper stop (7b) of the second piston carrier segment (1b) and can be at least connected to an oil circuit (9) via a return line (9b), and- the piston is equipped with an oil cooling system (14) which comprises at least one cooling channel (14a) located in the second piston carrier segment (1b) and encloses the first piston segment (1a) circumferentially at least in sections, the return line (9b) opening into the at least one cooling channel (14a) of the oil cooling system (14).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden mit einer Mulde aufweist, wobei der Kolben

  • - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum eines zugehörigen Zylinders mit ausgebildet,
  • - unter Verwendung eines Kolbenbolzens mit einem Ende einer Pleuelstange gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange zur Koppelung des Kolbens mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,
  • - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert,
  • - modular aus mindestens zwei Segmenten aufgebaut ist, wobei ein die Mulde umfassendes erstes Kolbensegment entlang der Kolbenlängsachse - zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist, und
  • - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse ausgestattet ist.
The invention relates to a piston for an internal combustion engine for realizing a variable compression ratio ε, which has a piston crown with a recess, the piston
  • - together with a cylinder tube and a cylinder head, a combustion chamber of an associated cylinder is also formed,
  • - can be connected in an articulated manner to one end of a connecting rod using a piston pin, the connecting rod being able to be connected in an articulated manner to the crankshaft of the internal combustion engine at another end in order to couple the piston to a crankshaft,
  • - oscillates along a longitudinal axis of the piston when the crankshaft rotates,
  • - is constructed modularly from at least two segments, wherein a first piston segment encompassing the trough is mounted displaceably in a second piston carrier segment along the longitudinal axis of the piston - between a lower stop and an upper stop, and
  • - Is equipped with a hydraulic adjustment device for moving the first piston segment along the longitudinal axis of the piston.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben.Furthermore, the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with such a piston.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise in der DE 40 05 903 A1 beschrieben und als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt. An internal combustion engine of the type mentioned, for example, in DE 40 05 903 A1 described and used as a drive for motor vehicles. In the context of the present invention, the term internal combustion engine refers in particular to diesel engines, but also to gasoline engines and hybrid internal combustion engines, i.e. internal combustion engines that are operated with a hybrid combustion process, and hybrid drives that, in addition to the internal combustion engine, have at least one other torque source for driving a Motor vehicles comprise, for example, an electric machine which can be drive-connected or is drive-connected to the internal combustion engine and which delivers power instead of the internal combustion engine or in addition to the internal combustion engine.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d.h. der Brennräume, miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock dient regelmäßig als obere Kurbelgehäusehälfte zur Lagerung der Kurbelwelle und zur Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe. Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected to form the cylinders, i.e. the combustion chambers. The cylinder block regularly serves as the upper half of the crankcase to support the crankshaft and to accommodate the piston or cylinder tube of each cylinder. The cylinder head is usually used to accommodate the valve trains required for gas exchange.

Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet. Der Betätigungsmechanismus einschließlich des zugehörigen Ventils wird als Ventiltrieb bezeichnet.As part of the gas exchange, the combustion gases are discharged via the exhaust gas discharge system via the at least one outlet opening and the combustion air is supplied via the intake system via the at least one inlet opening of the cylinder. According to the prior art, lift valves are almost exclusively used in four-stroke engines to control the gas exchange. The actuation mechanism, including the associated valve, is referred to as the valve train.

Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird regelmäßig ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist häufig Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.The crankshaft mounted in the crankcase absorbs the connecting rod forces and transforms the oscillating stroke movement of the pistons into a rotating rotary movement of the crankshaft. The upper half of the crankcase formed by the cylinder block is regularly supplemented by the oil pan that can be mounted on the cylinder block and serves as the lower half of the crankcase. The oil pan is used to collect and store the engine oil and is often part of the oil circuit. At least two bearings are provided in the crankcase to accommodate and support the crankshaft.

Die Pleuelstange einer Brennkraftmaschine ist nach dem Stand der Technik mit einem kleinen Pleuelauge an einem Ende und einem großen Pleuelauge am anderen Ende versehen, wobei die Pleuelstange über einen in dem kleinen Pleuelauge angeordneten Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Mit dem großen Pleuelauge ist die Pleuelstange auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert.According to the prior art, the connecting rod of an internal combustion engine is provided with a small connecting rod eye at one end and a large connecting rod eye at the other end, the connecting rod being articulated to the piston via a gudgeon pin arranged in the small connecting rod eye. With the large connecting rod eye, the connecting rod is rotatably mounted on a crank pin of the crankshaft.

Der Kolben dient dabei der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Die Gaskräfte, mit denen der Kolben beaufschlagt wird, werden auf diese Weise über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und von dieser auf die Kurbelwelle übertragen.The piston serves to transfer the gas forces generated by the combustion to the crankshaft. In this way, the gas forces applied to the piston are transmitted via the piston pin to the connecting rod and from there to the crankshaft.

Durch die beschriebene Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange und Kurbelwelle wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Pleuelstange bewegt sich dabei abgesehen von einem geringen rotatorischen Anteil überwiegend oszillierend in Richtung Zylinderrohrlängsachse.The described arrangement of the piston, piston pin, connecting rod and crankshaft transforms the oscillating movement of the piston into a rotary movement of the crankshaft. Apart from a small rotational component, the connecting rod moves predominantly in an oscillating manner in the direction of the longitudinal axis of the cylinder tube.

Die Gaskräfte drücken den Kolben in Richtung Zylinderlängsachse nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt dem Kolben durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung aufgezwungen wird. Der Kolben, der mit seiner nach unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muss bei dieser abwärts gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben die auf ihn wirkenden Gaskräfte über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und versucht diese nach unten zu beschleunigen. Nähert sich der Kolben dem unteren Totpunkt wird dieser mitsamt der Pleuelstange verzögert, um dann im unteren Totpunkt eine Bewegungsumkehr zu vollziehen. Die Wegstrecke, die der Kolben auf seinem Weg zwischen dem oberen Totpunkt und dem unterem Totpunkt im Zylinderrohr zurücklegt, wird als Kolbenhub s bezeichnet.The gas forces push the piston down in the direction of the longitudinal axis of the cylinder, with the piston being forced to move faster by the gas forces, starting from top dead center. The piston, which tries to evade the gas forces with its downward movement, has to take the connecting rod, which is articulated to it, with it during this downward movement. To do this, the piston directs the gas forces acting on it via the piston pin to the connecting rod and tries to pull it down accelerate. When the piston approaches bottom dead center, it is decelerated together with the connecting rod, in order to reverse the movement at bottom dead center. The distance covered by the piston on its way between top dead center and bottom dead center in the cylinder tube is referred to as the piston stroke s.

Das Hubvolumen Vh eines Zylinders ergibt sich aus der Kolbenfläche AK und dem Kolbenhub s zu: Vh = AK · s. Das Zylindervolumen bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben wird als Kompressionsvolumen VC bezeichnet. Das Zylindervolumen im unteren Totpunkt des Kolbens ergibt sich aus der Summe von Hubvolumen Vh und Kompressionsvolumen Vc.The swept volume V h of a cylinder results from the piston area A K and the piston stroke s as follows: V h = A K · s. The cylinder volume when the piston is at top dead center is referred to as the compression volume V C . The cylinder volume at bottom dead center of the piston results from the sum of displacement volume V h and compression volume V c .

Für das geometrische Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine gilt: ε = l + V h / V c

Figure DE102018210265B4_0001
Während Dieselmotoren prinzipbedingt mit sehr hohen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, um eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten, ist bei Ottomotoren das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis εmax wegen der Klopfneigung im Volllastbetrieb, d.h. der Neigung zu Selbstzündungen im noch unverbrannten Gemisch, auf vergleichsweise niedrige Verdichtungsverhältnisse von beispielsweise ε ≈ 10 bei Saugmotoren zu begrenzen.The following applies to the geometric compression ratio ε of the internal combustion engine: e = l + V H / V c
Figure DE102018210265B4_0001
 While diesel engines are inherently operated with very high compression ratios in order to ensure self-ignition of the fuel-air mixture, the maximum permissible compression ratio ε max for Otto engines is comparatively low because of the tendency to knock under full load, i.e. the tendency to self-ignition in the unburned mixture To limit compression ratios of, for example, ε ≈ 10 in naturally aspirated engines.

Bei aufgeladenen Motoren, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, muss das geometrische Verdichtungsverhältnis für eine klopffreie Verbrennung weiter abgesenkt werden, beispielsweise auf ε ≈. 8 ... 9 begrenzt werden.In the case of supercharged engines, which are becoming increasingly important, the geometric compression ratio must be further reduced for knock-free combustion, for example to ε ≈. 8 ... 9 can be limited.

Nachteilig sind die relativ kleinen Verdichtungsverhältnisse des Ottomotors insbesondere im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, d.h. im Hinblick auf den Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad η nimmt mit abnehmendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls ab. D.h. im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses sollte die Zylinderfrischladung möglichst hoch verdichtet werden, was auch aus den oben genannten Gründen, insbesondere der Klopfneigung des Ottomotors nahe der Volllast, nicht uneingeschränkt durchführbar ist.The relatively low compression ratios of the Otto engine are disadvantageous, especially with regard to fuel consumption, i.e. with regard to efficiency. The efficiency η also decreases as the compression ratio ε decreases. This means that with regard to the highest possible efficiency of the combustion process, the cylinder fresh charge should be compressed as high as possible, which is also not fully feasible for the reasons mentioned above, in particular the knocking tendency of the petrol engine near full load.

Ein konstruktiver Ansatz zur Auflösung dieses Konfliktes besteht darin, die Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ε auszustatten und zwar in der Art, dass das Verdichtungsverhältnis ε mit abnehmender Last, d.h. ausgehend von der Volllast in Richtung Teillast, erhöht wird. Auf diese Weise könnte ein grundlegender, teillastspezifischer Nachteil von Ottomotoren gegenüber Dieselmotoren zumindest teilweise kompensiert werden.A constructive approach to solving this conflict consists in equipping the internal combustion engine with a variable compression ratio ε in such a way that the compression ratio ε increases with decreasing load, i.e. starting from full load in the direction of part load. In this way, a fundamental, partial load-specific disadvantage of Otto engines compared to diesel engines could be at least partially compensated.

Aufgrund der Tatsache, dass eine Brennkraftmaschine überwiegend im Teillastbereich betrieben wird, bietet dies im Hinblick auf die erzielbare Kraftstoffersparnis ein hohes Potential. Eine wirkungsgradoptimierte Veränderung, d.h. Anpassung, des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Betriebspunkt erlaubt auch bei Ottomotoren im Teillastbereich Verdichtungsverhältnisse ε ≈ 14 ... 15 und damit eine signifikante Verbrauchsreduzierung.Due to the fact that an internal combustion engine is mainly operated in the partial load range, this offers great potential with regard to the achievable fuel savings. An efficiency-optimized change, i.e. adaptation, of the compression ratio ε to the respective operating point allows compression ratios ε ≈ 14 ... 15 in the partial load range, and thus a significant reduction in consumption.

1 zeigt am Beispiel eines Saugmotors die Verbesserung des Wirkungsgrades, die sich mittels eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε erzielen ließe. Dabei ist der thermische Wirkungsgrad ηth über der auf die Volllast bezogenen Last aufgetragen, wobei der Kurve A ein konstantes Verdichtungsverhältnis ε = 9 und der Kurve B ein variables Verdichtungsverhältnis ε zugrunde liegt. 1 uses the example of a naturally aspirated engine to show the improvement in efficiency that can be achieved using a variable compression ratio ε. The thermal efficiency η th is plotted against the load related to the full load, curve A being based on a constant compression ratio ε=9 and curve B on a variable compression ratio ε.

Wird die Brennkraftmaschine im Teillastbereich betrieben, beispielsweise mit 20% der Volllast, kann der Wirkungsgrad durch Anpassung des Verdichtungsverhältnisses, beispielsweise ε ≈ 14, um etwa 12 % erhöht werden. Hin zu hohen Lasten nimmt dieses Potential stetig ab, so dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit 80% der Volllast mittels variabler Verdichtung nur noch Wirkungsgradverbesserungen von etwa 3% realisierbar sind.If the internal combustion engine is operated in the partial load range, for example at 20% of full load, the efficiency can be increased by approximately 12% by adjusting the compression ratio, for example ε≈14. This potential decreases steadily towards high loads, so that when the internal combustion engine is operated at 80% of full load, efficiency improvements of only about 3% can be achieved by means of variable compression.

Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze zur Realisierung eines veränderbaren Verdichtungsverhältnisses ε bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine bekannt, von denen beispielhaft nur drei kurz vorgestellt werden sollen.Several approaches to the realization of a variable compression ratio ε in an internal combustion engine that is in operation are known from the prior art, of which only three will be presented briefly by way of example.

Eine Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange als zweiteilige Pleuelstange auszuführen. Dabei umfasst die Pleuelstange ein oberes Pleuel, das mit dem Kolben gelenkig verbunden ist, und ein unteres Pleuel, das an der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das obere Pleuel und das untere Pleuel ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sind, um auf diese Weise gegeneinander verschwenkt werden zu können. Damit handelt es sich um eine Pleuelstange, die entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden der Pleuelstange miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist. Die gedachte Linie L verläuft dabei einerseits durch das Lager, in dem das obere Pleuel mit dem Kolben drehbar verbunden ist, d.h. durch das kleine Pleuelauge, und andererseits durch das Lager, in dem das untere Pleuel auf der Kurbelwelle aufgenommen wird, d.h. durch das große Pleuelauge. Wird der Abstand dieser beiden Lager entlang ihrer Verbinnungslinie L als die Länge der Pleuelstange verstanden, kann diese Länge durch Verschwenken des oberen und des unteren Pleuels gegeneinander, d.h. durch ein mehr oder weniger starkes Knicken der zweiteiligen Pleuelstange verändert werden.One way of realizing a variable compression ratio ε is to design the connecting rod as a two-piece connecting rod. The connecting rod comprises an upper connecting rod articulated to the piston and a lower connecting rod articulated to the crankshaft, the upper connecting rod and the lower connecting rod also being articulated to each other so as to pivot in relation to one another be able. This is a connecting rod that can be changed in length along an imaginary line L that connects the two ends of the connecting rod to one another. The imaginary line L runs on the one hand through the bearing in which the upper connecting rod is rotatably connected to the piston, i.e. through the small connecting rod eye, and on the other hand through the bearing in which the lower connecting rod on the crankshaft is received, i.e. through the large one connecting rod eye. If the distance between these two bearings along their connecting line L is taken to be the length of the connecting rod, this can Length by pivoting the upper and lower connecting rod against each other, ie changed by a more or less strong buckling of the two-piece connecting rod.

Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt dabei mittels einer Anlenkstange, die gelenkig mit dem oberen Pleuel verbunden ist und drehbar auf einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle aufgenommen wird. Durch ein Verdrehen der Exzenterwelle und der sich daraus ergebenden Veränderungen der Kolbentotpunktlagen kann das Verdichtungsverhältnis in weiten Grenzen, beispielweise zwischen εmin ≈ 8 bis 15 εmax ≈ 15, variiert werden.The compression ratio ε is set by means of a connecting rod, which is articulated to the upper connecting rod and is rotatably mounted on an eccentric shaft mounted in the motor housing. The compression ratio can be varied within wide limits, for example between ε min ≈8 to 15 ε max ≈15, by rotating the eccentric shaft and the resulting changes in the piston dead center positions.

Diese mechanische Verstellvorrichtung ist auch gleichzeitig der größte Nachteil des beschriebenen Lösungsansatzes zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses, denn ein beachtlicher Teil der Verstellvorrichtung, insbesondere der Anlenkstange, nimmt an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teil.At the same time, this mechanical adjusting device is also the greatest disadvantage of the described approach to realizing a variable compression ratio, because a considerable part of the adjusting device, in particular the connecting rod, takes part in the oscillating and rotating movement of the crank mechanism.

Die oszillierende Bewegung des Kolbens und der Pleuelstange zusammen mit den Bauteilen der Verstellvorrichtung führt zu hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, die mit dem Quadrat der Kurbelwellendrehzahl zunehmen und entsprechend hohe dynamische Trägheitskräfte verursachen. Diese dynamischen Trägheitskräfte belasten den Kurbeltrieb erheblich und spielen bei der Auslegung der Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit eine maßgebliche Rolle.The oscillating movement of the piston and connecting rod together with the components of the adjusting device leads to high accelerations and decelerations, which increase with the square of the crankshaft speed and cause correspondingly high dynamic inertia forces. These dynamic inertial forces put a considerable strain on the crank mechanism and play a key role in the design of the components with regard to their strength.

Es ist daher grundsätzlich ein Ziel der Konstrukteure, die oszillierenden Massen möglichst gering zu halten und die Bauteile materialsparend auszulegen, wobei die erforderliche Festigkeit der Bauteile dieser Vorgehensweise Grenzen setzt. Der Einsatz einer mechanischen Verstellvorrichtung, die an der oszillierenden Bewegung teilnimmt, steht damit dem Ziel, die oszillierenden Massen zu reduzieren, entgegen.It is therefore a basic goal of the designers to keep the oscillating masses as low as possible and to design the components in a material-saving manner, with the required strength of the components setting limits to this procedure. The use of a mechanical adjusting device, which participates in the oscillating movement, is thus opposed to the goal of reducing the oscillating masses.

Eine andere Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange aus mehreren Pleuelstangenstücken aufzubauen, die teleskopartig ineinander verschiebbar angeordnet sind. Die Variation der Pleuellänge erfolgt durch ein Zusammenschieben oder Auseinanderziehen der Pleuelstangenstücke. Hierzu ist wiederum eine mechanische Verstellvorrichtung erforderlich, die prinzipbedingt, wie die zuvor beschriebene Verstellvorrichtung, mechanisch mit der Pleuelstange gekoppelt sein muss, wodurch ein Teil dieser Verstellvorrichtung wiederum an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teilnimmt. Die Nachteile sind die oben bereits Genannten.Another way of realizing a variable compression ratio ε is to construct the connecting rod from several connecting rod pieces, which are arranged telescopically and can be slid into one another. The length of the connecting rod is varied by pushing the connecting rod pieces together or pulling them apart. This in turn requires a mechanical adjustment device which, like the adjustment device described above, must be mechanically coupled to the connecting rod, whereby part of this adjustment device in turn participates in the oscillating and rotating movement of the crank mechanism. The disadvantages are the ones mentioned above.

Darüber hinaus führen die aus dem Stand der Technik bekannten in der Länge veränderbaren Pleuelstangen per se schon zu einer Zunahme der oszillierenden und rotierenden Massen gegenüber einer herkömmlichen Pleuelstange, was die beschriebenen nachteiligen Effekte noch verstärkt.In addition, the length-adjustable connecting rods known from the prior art per se lead to an increase in the oscillating and rotating masses compared to a conventional connecting rod, which further increases the disadvantageous effects described.

Aus dem Stand der Technik sind auch Lösungsansätze bekannt, bei denen im kleinen oder großen Pleuelauge eine Exzenterbuchse als Zwischenelement der Lagerung vorgesehen wird. Die Exzenterbuchse ist verdrehbar, beispielsweise zwischen verschiedenen Arbeitspositionen stufig schaltbar, wobei die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse ε aus den verschiedenen Totpunktlagen in den verschiedenen Arbeitspositionen der Exzenterbuchse resultieren.Solution approaches are also known from the prior art, in which an eccentric bushing is provided as an intermediate element of the bearing in the small or large connecting rod eye. The eccentric bushing is rotatable, for example switchable in stages between different working positions, the different compression ratios ε resulting from the different dead center positions in the different working positions of the eccentric bushing.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 44 669 A1 beschreibt eine Pleuelstange, bei der eine Exzenterbuchse im großen Pleuelauge angeordnet ist. Um die Exzenterbuchse zu arretieren bzw. freizugeben, ist ein Verriegelungselement einer Verriegelungsvorrichtung vorgesehen, welches mit der Buchse in Eingriff gebracht werden kann. Die Steuerung, d.h. Betätigung, der mechanischen Verriegelungseinrichtung umfassend einen Zylinder und einen in diesem Zylinder verschiebbaren Kolben kann hydraulisch mittels Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf oder mittels Druckluft erfolgen. Eine Vorrichtung, mit der die entriegelte Exzenterbuchse gezielt in eine vorgebbare Position verdreht wird bzw. verdreht werden kann, offenbart die DE 199 44 669 A1 nicht. Dies ist ein grundsätzliches Defizit der im Stand der Technik beschriebenen Konzepte zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε.The German Offenlegungsschrift DE 199 44 669 A1 describes a connecting rod in which an eccentric bushing is arranged in the large connecting rod eye. In order to lock or release the eccentric bushing, a locking element of a locking device is provided, which can be brought into engagement with the bushing. The control, ie actuation, of the mechanical locking device comprising a cylinder and a piston that can be displaced in this cylinder can take place hydraulically by means of pressure oil from the engine lubricating oil circuit or by means of compressed air. A device with which the unlocked eccentric bushing is twisted or can be twisted in a specific manner into a predetermined position is disclosed in DE 199 44 669 A1 not. This is a fundamental deficit of the concepts described in the prior art for realizing a variable compression ratio ε.

Soweit im Stand der Technik Lösungsansätze beschrieben werden, die sich durch den Einsatz einer Exzenterbuchse auszeichnen, erschöpfen sich die vorgeschlagenen Konzepte in der Regel in Vorrichtungen und Verfahren zur Arretierung bzw. Freigabe der Buchse. Die einmal freigegebene Exzenterbuchse wird sich selbst überlassen, d.h. auf den Verdrehvorgang der Buchse selbst wird kein Einfluss genommen.As far as solution approaches are described in the prior art, which are characterized by the use of an eccentric bushing, the proposed concepts are usually limited to devices and methods for locking or releasing the bushing. Once released, the eccentric bushing is left to its own devices, i.e. the twisting process of the bushing itself is not influenced.

Die DE 38 07 244 C1 beschreibt einen Kolben mit veränderbarer Kompressionshöhe. Die Änderung der Kompressionshöhe erfolgt temperaturabhängig unter Verwendung von zwei Steuerkammern eines Hydrauliksystems. Dabei sind die Steuerkammern via einer Überströmleitung hydraulisch miteinander verbunden.the DE 38 07 244 C1 describes a piston with variable compression height. The compression height is changed depending on the temperature using two control chambers of a hydraulic system. The control chambers are hydraulically connected to one another via an overflow line.

Die EP 2 184 496 A1 beschreibt eine hydraulische Spaltdichtung zwischen Kolben und Zylinderbuchse, die als Ringspalt ausgeführt ist.the EP 2 184 496 A1 describes a hydraulic gap seal between the piston and cylinder liner, which is designed as an annular gap.

Die DE 10 2009 048 172 A1 beschreibt einen modular aufgebauten Kolben mit veränderbarer Kompressionshöhe, wobei der Kolben mit einer integrierten Kolbenkühlung ausgestattet ist.the DE 10 2009 048 172 A1 describes a modular piston with variable compression height, the piston being equipped with integrated piston cooling.

Obwohl Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomotoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, besteht auch bei Dieselmotoren Bedarf für ein variables Verdichtungsverhältnis. So wäre bei einem Kaltstart regelmäßig ein hohes Verdichtungsverhältnis ε anzustreben, um die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei noch kaltem Dieselmotor zu gewährleisten, wohingegen bei auf Betriebstemperatur erwärmten Dieselmotor ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis Vorteile bei den Emissionen haben kann.Although diesel engines are operated with higher compression ratios compared to Otto engines, there is also a need for a variable compression ratio in diesel engines. For a cold start, a high compression ratio ε would be desirable to ensure self-ignition of the fuel-air mixture when the diesel engine is still cold, whereas a lower compression ratio can have advantages in terms of emissions when the diesel engine has warmed up to operating temperature.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit dem eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.Against this background, it is an object of the present invention to provide a piston according to the preamble of claim 1 with which the disadvantages known from the prior art can be overcome and with which a change in the compression ratio ε can be implemented in a simple manner.

Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to indicate a method for operating an internal combustion engine with such a piston.

Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden mit einer Mulde aufweist, wobei der Kolben

  • - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum eines zugehörigen Zylinders mit ausgebildet,
  • - unter Verwendung eines Kolbenbolzens mit einem Ende einer Pleuelstange gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange zur Koppelung des Kolbens mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,
  • - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert,
  • - modular aus mindestens zwei Segmenten aufgebaut ist, wobei ein die Mulde umfassendes erstes Kolbensegment entlang der Kolbenlängsachse - zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist, und
  • - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse ausgestattet ist,
und dadurch gekennzeichnet ist, dass die hydraulische Verstelleinrichtung
  • - eine erste Kammer umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment und dem unteren Anschlag des zweiten Kolbenträgersegments ausbildbar ist und via eine Zuführleitung mit Öl beaufschlagbar ist, und
  • - eine zweite Kammer umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment und dem oberen Anschlag des zweiten Kolbenträgersegments ausbildbar ist und via einer Rückführleitung mit einem Ölkreislauf zumindest verbindbar ist, und
  • - der Kolben mit einer Ölkühlung ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment erstreckt und das erste Kolbensegment umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung in den mindestens einen Kühlkanal der Ölkühlung mündet.
The first subtask is solved by a piston for an internal combustion engine for realizing a variable compression ratio ε, which has a piston head with a recess, the piston
  • - together with a cylinder tube and a cylinder head, a combustion chamber of an associated cylinder is also formed,
  • - can be connected in an articulated manner to one end of a connecting rod using a piston pin, the connecting rod being able to be connected in an articulated manner to the crankshaft of the internal combustion engine at another end in order to couple the piston to a crankshaft,
  • - oscillates along a longitudinal axis of the piston when the crankshaft rotates,
  • - is constructed modularly from at least two segments, wherein a first piston segment encompassing the depression is mounted displaceably in a second piston carrier segment along the longitudinal axis of the piston - between a lower stop and an upper stop, and
  • - is equipped with a hydraulic adjustment device for moving the first piston segment along the longitudinal axis of the piston,
and is characterized in that the hydraulic adjusting device
  • - comprises a first chamber, which can be formed between the first piston segment and the lower stop of the second piston carrier segment and can be charged with oil via a feed line, and
  • - comprises a second chamber, which can be formed between the first piston segment and the upper stop of the second piston carrier segment and can be at least connected to an oil circuit via a return line, and
  • - The piston is equipped with an oil cooling system that includes at least one cooling channel that extends in the second piston carrier segment and encloses the first piston segment circumferentially at least in sections, with the return line opening into the at least one cooling channel of the oil cooling system.

Der erfindungsgemäße Kolben ist mehrteilig und umfasst mindestens zwei gegeneinander bewegliche Segmente, wobei diese Segmente als solche auch wieder modular aufgebaut sein können; beispielsweise um eine Montage zu ermöglichen bzw. zu vereinfachen.The piston according to the invention is in several parts and comprises at least two segments that can be moved relative to one another, these segments as such also being able to be of modular design; for example, to enable or simplify assembly.

Die mindestens zwei Segmente des erfindungsgemäßen Kolbens sind entlang der Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag relativ zueinander verschiebbar, wobei ein die Kolbenmulde umfassendes erstes Kolbensegment in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist.The at least two segments of the piston according to the invention can be displaced relative to one another along the piston longitudinal axis between a lower stop and an upper stop, with a first piston segment encompassing the piston recess being mounted in a second piston carrier segment.

Das erste Kolbensegment kann mitsamt Kolbenmulde in Richtung des Zylinderkopfes, d.h. in Richtung des Brennraumdaches in den Brennraum hinein verschoben werden, um das Verdichtungsverhältnis ε zu erhöhen. Der Verschiebweg in diese Richtung wird durch einen oberen Anschlag begrenzt, an welchem das erste Segment zur Anlage gebracht wird. Wird das erste Kolbensegment in entgegen gesetzter Richtung verschoben, d.h. in Richtung des Kolbenbolzens bzw. der Pleuelstange, lässt sich das Verdichtungsverhältnis ε absenken. Der Verschiebweg in diese Richtung wird durch einen unteren Anschlag begrenzt, an welchem das erste Segment wiederum zur Anlage gebracht wird.The first piston segment can be pushed into the combustion chamber together with the piston recess in the direction of the cylinder head, i.e. in the direction of the combustion chamber roof, in order to increase the compression ratio ε. The displacement path in this direction is limited by an upper stop on which the first segment is brought into contact. If the first piston segment is moved in the opposite direction, i.e. in the direction of the piston pin or connecting rod, the compression ratio ε can be reduced. The displacement path in this direction is limited by a lower stop against which the first segment is in turn brought into contact.

Erfindungsgemäß ist eine hydraulische Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse vorgesehen, die im Gegensatz zu einer mechanischen Verstellvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Vielzahl von Vorteilen aufweist, insbesondere in Bezug auf den Raumbedarf, das Gewicht und die Komplexität. Insbesondere wird eine ungewollte Erhöhung der rotierenden, aber auch der oszillierenden Massen des Kurbeltriebes weitestgehend vermieden.According to the invention, a hydraulic adjustment device is provided for moving the first piston segment along the longitudinal axis of the piston, which, in contrast to a mechanical adjustment device as is known from the prior art, has a large number of advantages, in particular with regard to the space requirement, the weight and the Complexity. In particular, an unwanted increase in the rotating, but also the oscillating masses of the crank mechanism is largely avoided.

Darüber hinaus kann eine hydraulische Verstelleinrichtung von einem Ölkreislauf partizipieren, über den jede Brennkraftmaschine regelmäßig verfügt.In addition, a hydraulic adjusting device can participate in an oil circuit that every internal combustion engine regularly has.

Die erste und die zweite Kammer sind erfindungsgemäß Kammern, die sich erst im Rahmen der Verschiebebewegung des ersten Kolbensegments teilweise oder vollständig ausbilden und in Abhängigkeit von der Position des ersten Kolbensegments auch vollständig verschwinden können; beispielsweise wenn das erste Kolbensegment im unteren oder oberen Anschlag zur Anlage kommt.According to the invention, the first and second chambers are chambers which form partially or completely only during the displacement movement of the first piston segment and can also disappear completely depending on the position of the first piston segment; for example, when the first piston segment comes to rest in the lower or upper stop.

Die erste Kammer wird mittels Zuführleitung mit Öl versorgt. Die zweite Kammer ist mittels Rückführleitung mit einem Ölkreislauf zumindest verbindbar, um Öl aus der zweiten Kammer abführen zu können. Der Begriff zumindest verbindbar deutet an, dass die Verbindung entweder eine dauerhafte Verbindung ist oder aber eine Verbindung, die zumindest zeitweise, beispielsweise unter Verwendung eines Absperrelementes, unterbrochen werden kann.The first chamber is supplied with oil via a feed line. The second chamber can at least be connected to an oil circuit by means of a return line in order to be able to drain oil from the second chamber. The term at least connectable indicates that the connection is either a permanent connection or a connection that can be interrupted at least temporarily, for example using a shut-off element.

Die Hauptströmungsrichtung des Öls, d.h. der Öldurchfluss bzw. die Ölförderung durch die Kammern und die Verbindungsleitungen ist vorzugsweise ausgehend von der Zuführleitung durch die Kammern und via Rückführleitung in den Ölkreislauf zurück.The main flow direction of the oil, i.e. the oil flow or the oil delivery through the chambers and the connecting lines is preferably starting from the supply line through the chambers and via the return line back into the oil circuit.

Erfindungsgemäß ist der Kolben mit einer Ölkühlung ausgestattet, wobei die Ölkühlung mindestens einen Kühlkanal umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment erstreckt und das erste Kolbensegment umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt.According to the invention, the piston is equipped with an oil cooling system, with the oil cooling system comprising at least one cooling channel which extends in the second piston carrier segment and encloses the first piston segment at least in sections.

Dann kann die Rückführleitung in vorteilhafter Weise in die Ölkühlung münden, wodurch das Leitungssystem der hydraulischen Verstelleinrichtung vereinfacht, insbesondere verkürzt wird.The return line can then advantageously open into the oil cooling system, as a result of which the line system of the hydraulic adjusting device is simplified, in particular shortened.

Erfindungsgemäß mündet daher auch die Rückführleitung in den mindestens einen Kühlkanal der Ölkühlung.According to the invention, therefore, the return line also opens into the at least one cooling channel of the oil cooling system.

Mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit dem eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.With the piston according to the invention, the first object underlying the invention is achieved, namely a piston according to the preamble of claim 1 is provided with which the disadvantages known from the prior art can be overcome and with which a change in the compression ratio ε can be implemented in a simple manner can.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the piston according to the invention are discussed in connection with the subclaims.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die erste Kammer und die zweite Kammer via einer Überströmleitung hydraulisch miteinander verbunden sind. Die zweite Kammer wird von der ersten Kammer via Überströmleitung mit aus der ersten Kammer stammendem Öl versorgt.Embodiments of the piston are advantageous in which the first chamber and the second chamber are hydraulically connected to one another via an overflow line. The second chamber is supplied with oil from the first chamber via an overflow line.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Überströmleitung als Ringspalt zwischen dem ersten Kolbensegment und dem zweiten Kolbenträgersegment ausgebildet ist, der sich entlang der Kolbenlängsachse erstreckt. Der Ringspalt wird vorzugsweise als Drossel ausgelegt, so dass ein Überströmen erschwert bzw. verzögert wird.In this context, embodiments of the piston are advantageous in which the overflow line is designed as an annular gap between the first piston segment and the second piston carrier segment, which extends along the longitudinal axis of the piston. The annular gap is preferably designed as a throttle so that overflow is made more difficult or delayed.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen in der Zuführleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer zulässt und einem Ölabfluss aus der ersten Kammer entgegenwirkt. Diese Ausführungsform gewährleistet, dass die Hauptströmungsrichtung des Öls, wie vorstehend bereits dargelegt, ausgehend von der ersten Kammer via Überströmleitung in die zweite Kammer und von der zweiten Kammer via Rückfuhrleitung in den Ölkreislauf gerichtet ist bzw. führt.Embodiments of the piston are advantageous in which a check valve is arranged in the supply line, which allows an oil inflow to the first chamber and counteracts an oil outflow from the first chamber. This embodiment ensures that the main flow direction of the oil, as already explained above, is directed or leads from the first chamber via the overflow line into the second chamber and from the second chamber via the return line into the oil circuit.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Zuführleitung sich im Kolben und/oder im Kolbenbolzen und/oder in der Pleuelstange erstreckt. Die Ölversorgung der ersten Kammer kann vorliegend von der Hauptölgalerie der Kurbelwelle bzw. über die Kurbelwelle selbst erfolgen, wobei der erforderliche Öldruck zur Förderung des Öls, insbesondere zum Öffnen eines vorgesehenen Rückschlagventils, unter Verwendung einer im Ölkreislauf vorgesehenen Ölpumpe aufgebaut bzw. bereitgestellt werden kann.Embodiments of the piston are advantageous in which the feed line extends in the piston and/or in the gudgeon pin and/or in the connecting rod. In the present case, the first chamber can be supplied with oil from the main oil gallery of the crankshaft or via the crankshaft itself, in which case the oil pressure required to pump the oil, in particular to open a check valve provided, can be built up or provided using an oil pump provided in the oil circuit.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen in der Rückfuhrleitung eine weitere Kammer angeordnet ist. Die weitere Kammer dient der Bereitstellung einer minimalen Ölmenge, um sicherzustellen, dass bei leichtem Pumpen des Kolbens die zweite Kammer immer mit Öl gefüllt ist und keine Luft in die zweite Kammer gelangt.Embodiments of the piston in which a further chamber is arranged in the return line are advantageous. The further chamber serves to provide a minimum amount of oil to ensure that when the piston is gently pumped, the second chamber is always filled with oil and no air gets into the second chamber.

Der Abschnitt der Rückführleitung zwischen der weiteren Kammer und der zweiten Kammer wird vorzugsweise als Drossel ausgelegt. Die Verschiebegeschwindigkeit der Kolbenmulde wird vom bereitgestellten Öldruck beeinflusst, aber auch entscheidend über die Dimensionierung der Kammern und der einzelnen Verbindungsleitung festgelegt bzw. konstruktiv eingestellt.The section of the return line between the further chamber and the second chamber is preferably designed as a throttle. The displacement speed of the piston recess is influenced by the oil pressure provided, but is also decisively determined or set in the design by the dimensioning of the chambers and the individual connecting lines.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen des Kolbens, bei denen ein Abschnitt der Rückführleitung zwischen der weiteren Kammer und der zweiten Kammer als Drosselelement ausgebildet ist.Are also advantageous in this context, therefore, embodiments of the piston in which a portion of the return line between the further chamber and the second chamber is designed as a throttle element.

Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Kolbensegment unter Verwendung der hydraulischen Verstelleinrichtung entlang der Kolbenlängsachse verschoben wird, um das Verdichtungsverhältnis ε zu variieren.The second sub-task on which the invention is based, namely to show a method for operating an internal combustion engine with a piston of the type described above, is achieved by a method which is characterized in that the first piston segment is displaced along the longitudinal axis of the piston using the hydraulic adjustment device in order to to vary the compression ratio ε.

Das bereits für den erfindungsgemäßen Kolben Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.What has already been said for the piston according to the invention also applies to the method according to the invention.

Zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε bei einem Kaltstart und/oder in der Warmlaufphase erhöht wird. Diese Vorgehensweise stellt eine Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch bei noch kalter bzw. nicht auf Betriebstemperatur erwärmter Brennkraftmaschine sicher.To operate a self-igniting internal combustion engine, embodiments of the method are advantageous in which the compression ratio ε is increased during a cold start and/or in the warm-up phase. This procedure ensures self-ignition of the fuel-air mixture even when the internal combustion engine is still cold or has not been heated to operating temperature.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε nach einem Kaltstart und/oder nach der Warmlaufphase verringert wird, um das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.In this context, embodiments of the method are advantageous in which the compression ratio ε is reduced after a cold start and/or after the warm-up phase in order to improve the emission behavior of the internal combustion engine.

Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε der fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit abnehmender Last erhöht wird.Embodiments of the method in which the compression ratio ε of the spark-ignited internal combustion engine is increased as the load decreases can also be advantageous.

Vorteilhaft können ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε der fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit zunehmender Last verringert wird.Embodiments of the method in which the compression ratio ε of the spark-ignited internal combustion engine is reduced with increasing load can also be advantageous.

Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten tragen sowohl dem Umstand Rechnung, dass im Bereich hoher Lasten ein Klopfen durch Beschränken bzw. Verkleinern des Verdichtungsverhältnisses ε sicher zu verhindern ist, als auch dem Umstand, dass im Teillastbereich der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtungsverhältnisse ε verbessert werden kann, ohne dass Selbstzündungen des Kraftstoff-Luftgemisches, d.h. ein Klopfen, zu befürchten wäre.The two process variants described above take into account both the fact that in the high-load range knocking can be reliably prevented by limiting or reducing the compression ratio ε and the fact that in the part-load range efficiency can be improved by higher compression ratios ε without that self-ignition of the fuel-air mixture, i.e. knocking, would have to be feared.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

  • 1 den thermischen Wirkungsgrad ηth eines Saugmotors über der bezogenen Last für ein unveränderliches Verdichtungsverhältnis ε einerseits (Kurve A) und für ein variables Verdichtungsverhältnis ε andererseits (Kurve B), und
  • 2a schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform des Kolbens mit einem ersten Kolbensegment im oberen Anschlag, und
  • 2b schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den in 2a dargestellten Kolben mit dem ersten Kolbensegment im unteren Anschlag.
The invention is based on an embodiment and according to the 1 , 2a and 2 B described in more detail. This shows:
  • 1 the thermal efficiency η th of a naturally aspirated engine versus the related load for a fixed compression ratio ε on the one hand (curve A) and for a variable compression ratio ε on the other hand (curve B), and
  • 2a schematically in a side view and partially sectioned, a first embodiment of the piston with a first piston segment in the upper stop, and
  • 2 B schematically in a side view and partially sectioned in 2a illustrated piston with the first piston segment in the lower stop.

1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erörtert, weshalb auf diese Ausführungen Bezug genommen wird. 1 has already been discussed in detail in the introduction to the description, which is why reference is made to these statements.

2a zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform des Kolbens 1 mit einem ersten Kolbensegment 1a im oberen Anschlag 7b, d.h. in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse 6 und senkrecht zur Kurbelwelle. Die Drehachse der Kurbelwelle steht senkrecht auf der Zeichenebene. Eine auf der Kurbelwelle drehbar gelagerte Pleuelstange 5 ist mittels Kolbenbolzen 4 beweglich mit dem Kolben 1 verbunden. Bei umlaufender Kurbelwelle oszilliert der Kolben entlang der Kolbenlängsachse 6. 2a shows a first embodiment of the piston 1 schematically in a side view and partially in section with a first piston segment 1a in the upper stop 7b, ie in a section along the longitudinal axis 6 of the piston and perpendicular to the crankshaft. The axis of rotation of the crankshaft is perpendicular to the plane of the drawing. A connecting rod 5 rotatably mounted on the crankshaft is movably connected to the piston 1 by means of a piston pin 4 . When the crankshaft rotates, the piston oscillates along the longitudinal axis of the piston 6.

2b zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den in 2a dargestellten Kolben 1 mit dem ersten Kolbensegment 1a im unteren Anschlag 7a. 2 B shows schematically in a side view and partially sectioned in 2a Piston 1 shown with the first piston segment 1a in the lower stop 7a.

Das seitlich angeordnete Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens 1 im Zylinderrohr und der Aufnahme von Kolbenringen zur Abdichtung des Brennraums 10 gegenüber dem Kurbelgehäuse und umgekehrt. Der Kolbenboden 2 des Kolbens 1 verfügt über eine omegaförmige Kolbenmulde 3.The laterally arranged piston skirt serves to guide the piston 1 in the cylinder tube and to accommodate piston rings for sealing the combustion chamber 10 from the crankcase and vice versa. The piston crown 2 of the piston 1 has an omega-shaped piston bowl 3.

Der Kolben 1 ist modular aus zwei Segmenten 1a, 1b aufgebaut, wobei ein die Mulde 3 umfassendes erstes Kolbensegment 1a beweglich in einem zweiten Kolbenträgersegment 1b gelagert ist. Dabei ist das erste Kolbensegment 1a entlang der Kolbenlängsachse 6 zwischen einem unteren Anschlag 7a (siehe 2b) und einem oberen Anschlag 7b (siehe 2a) verschiebbar im zweiten Kolbenträgersegment 1b gelagert.The piston 1 is constructed modularly from two segments 1a, 1b, a first piston segment 1a encompassing the recess 3 being movably mounted in a second piston carrier segment 1b. The first piston segment 1a is along the piston longitudinal axis 6 between a lower stop 7a (see 2 B) and an upper stop 7b (see 2a) slidably mounted in the second piston carrier segment 1b.

Zum Verschieben des ersten Kolbensegments 1a ist eine hydraulische Verstelleinrichtung 8 vorgesehen. Die hydraulische Verstelleinrichtung 8 umfasst zwei Kammern 8a, 8b, wobei das Befüllen einer ersten Kammer 8a mit Öl das erste Kolbensegment 1a zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε in Richtung des Brennraums 10 verschiebt und das Befüllen einer zweiten Kammer 8b mit Öl das erste Kolbensegment 1a zur Verringerung des Verdichtungsverhältnisses ε in entgegen gesetzter Richtung, nämlich in Richtung des Kolbenbolzens 4 verschiebt.A hydraulic adjusting device 8 is provided for moving the first piston segment 1a. The hydraulic adjusting device 8 comprises two chambers 8a, 8b, filling a first chamber 8a with oil displacing the first piston segment 1a in the direction of the combustion chamber 10 to increase the compression ratio ε and filling a second chamber 8b with oil displacing the first piston segment 1a to reduce it of Compression ratio ε in the opposite direction, namely in the direction of the piston pin 4 shifts.

Die erste Kammer 8a wird bei Zufuhr von Öl zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem unteren Anschlag 7a des zweiten Kolbenträgersegments 1b ausgebildet und via einer Zuführleitung 9a mit Öl versorgt. In der Zuführleitung 9a ist ein Rückschlagventil 11 angeordnet, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer 8a zulässt und einen Ölabfluss aus der ersten Kammer 8a verhindert. Vorliegend verläuft die Zuführleitung 9a durch die Pleuelstange 5 und den Kolbenbolzen 4 bis in den Kolben 1 und zur der ersten Kammer 8a.When oil is supplied, the first chamber 8a is formed between the first piston segment 1a and the lower stop 7a of the second piston carrier segment 1b and is supplied with oil via a supply line 9a. A non-return valve 11 is arranged in the supply line 9a, which allows oil to flow to the first chamber 8a and prevents oil from flowing out of the first chamber 8a. In the present case, the feed line 9a runs through the connecting rod 5 and the piston pin 4 into the piston 1 and to the first chamber 8a.

Die zweite Kammer 8b wird bei Zufuhr von Öl zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem oberen Anschlag 7b des zweiten Kolbenträgersegments 1b ausgebildet und ist via einer Überströmleitung 9c hydraulisch mit der ersten Kammer 8a verbunden. D.h. die zweite Kammer 8b wird via Überströmleitung 9c mit aus der ersten Kammer 8a stammendem Öl versorgt.When oil is supplied, the second chamber 8b is formed between the first piston segment 1a and the upper stop 7b of the second piston carrier segment 1b and is hydraulically connected to the first chamber 8a via an overflow line 9c. This means that the second chamber 8b is supplied with oil from the first chamber 8a via an overflow line 9c.

Die Überströmleitung 9c ist als Ringspalt 9c' zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem zweiten Kolbenträgersegment 1b ausgebildet, der sich entlang der Kolbenlängsachse 6 erstreckt.The overflow line 9c is designed as an annular gap 9c' between the first piston segment 1a and the second piston carrier segment 1b, which extends along the longitudinal axis 6 of the piston.

Darüber hinaus ist die zweite Kammer 8b via einer Rückführleitung 9b mit einem Ölkreislauf 9 verbunden. Die Rückführleitung 9b mündet in den Kühlkanal 14a einer Ölkühlung 14, der sich im zweiten Kolbenträgersegment 1b erstreckt und das erste Kolbensegment 1a umfänglich umschließt.In addition, the second chamber 8b is connected to an oil circuit 9 via a return line 9b. The return line 9b opens into the cooling channel 14a of an oil cooling system 14, which extends in the second piston carrier segment 1b and encloses the first piston segment 1a circumferentially.

Der Abschnitt 9b' der Rückführleitung 9b zwischen einer weiteren Kammer 12 und der zweiten Kammer 8b ist als Drosselelement 13 ausgebildet, um den Ölfluss von der zweiten Kammer 8b zur weiteren Kammer 12 zu drosseln und zwar in der Weise, dass aus der zweiten Kammer 8b weniger Öl abfließen kann als via Überströmleitung 9c aus der ersten Kammer 8a zuströmt. Die weitere Kammer 12 dient der Bereitstellung einer minimalen Ölmenge, um sicherzustellen, dass bei leichtem Pumpen des Kolbens 1 die zweite Kammer 8b immer mit Öl gefüllt ist und keine Luft in die zweite Kammer 8b gelangt.The section 9b 'of the return line 9b between a further chamber 12 and the second chamber 8b is designed as a throttle element 13 to throttle the oil flow from the second chamber 8b to the further chamber 12 in such a way that from the second chamber 8b less Oil can flow out than flows in via the overflow line 9c from the first chamber 8a. The other chamber 12 is used to provide a minimum amount of oil to ensure that when the piston 1 is pumped slightly, the second chamber 8b is always filled with oil and no air gets into the second chamber 8b.

Zum Ausfahren des ersten Kolbensegments 1a wird der Zuführkanal 9a unter Verwendung einer Ölpumpe mit einem Öldruck von beispielsweise 5 bar beaufschlagt und zwar vorzugsweise, wenn der Kolben 1 sich nach unten, d.h. in Richtung des unteren Totpunktes, bewegt und die Massenkräfte entgegen der Bewegungsrichtung nach oben wirken. Falls keine hohen Druckkräfte infolge Verbrennung am ersten Kolbensegment 1a angreifen, reicht der angelegte Druck aus, um das Rückschlagventil 11 zu öffnen, so dass Öl in die erste Kammer 8a fließt. Dabei wird das erste Kolbensegment 1a solange nach oben verschoben bis der obere Anschlag 7b erreicht wird oder die nach unten wirkenden Kräfte auf das erste Kolbensegment 1a derart anwachsen, dass der Druck in der ersten Kammer 8a soweit ansteigt und das Rückschlagventil 11 geschlossen wird. Eine Rückverdrängung des Öls in den Zuführkanal 9a wird unterbunden. Es erfolgt lediglich ein geringer Ölfluss über den gedrosselten Ringspalt 9c' in die zweite Kammer 8b. Die zweite Kammer 8b steht weiterhin über eine gedrosselte Verbindung 9b' und die weitere Kammer 12 via der Rückführleitung 9b mit dem Ölkreislauf 9 in Verbindung. Das Verschieben kann regelmäßig mehrere Kurbelumdrehungen erfordern und schrittweise erfolgen.To extend the first piston segment 1a, the feed channel 9a is subjected to an oil pressure of 5 bar, for example, using an oil pump, preferably when the piston 1 is moving downwards, i.e. in the direction of bottom dead center, and the inertia forces are moving upwards against the direction of movement works. If no high pressure forces act on the first piston segment 1a as a result of combustion, the applied pressure is sufficient to open the check valve 11, so that oil flows into the first chamber 8a. The first piston segment 1a is pushed upwards until the upper stop 7b is reached or the forces acting downward on the first piston segment 1a increase to such an extent that the pressure in the first chamber 8a increases and the check valve 11 is closed. A back displacement of the oil in the feed channel 9a is prevented. There is only a small flow of oil through the restricted annular gap 9c' into the second chamber 8b. The second chamber 8b is also connected to the oil circuit 9 via a throttled connection 9b' and the further chamber 12 via the return line 9b. Shifting can regularly require several turns of the crank and can be done gradually.

Zum Einfahren des ersten Kolbensegments wird der Öldruck in der Zuführleitung 9a soweit abgesenkt, dass kein bzw. nur wenig Öl in die erste Kammer 8a gefördert wird bzw. fließt. Die auf den Kolbenboden 2 und das erste Kolbensegment 1a wirkenden Gaskräfte verdrängen bei jedem Verbrennungszyklus Öl aus der ersten Kammer 8a via Überströmleitung 9c in die zweite Kammer 8b. In jedem Fall mehr Öl als in die erste Kammer 8a nachfließen kann. Da immer mehr Öl aus ersten Kammer 8a abfließt als die zweite Kammer 8b benötigt bzw. aufnehmen kann, ist die zweite Kammer 8b immer mit Öl gefüllt, wobei sich ein Ölabfluss über die weitere Kammer 12 in den Kolbenkühlkanal 14a einstellt.To retract the first piston segment, the oil pressure in the feed line 9a is lowered to such an extent that little or no oil is conveyed or flows into the first chamber 8a. During each combustion cycle, the gas forces acting on the piston crown 2 and the first piston segment 1a displace oil from the first chamber 8a via the overflow line 9c into the second chamber 8b. In any case, more oil than can flow into the first chamber 8a. Since more and more oil flows out of the first chamber 8a than the second chamber 8b requires or can hold, the second chamber 8b is always filled with oil, with oil flowing out via the further chamber 12 into the piston cooling channel 14a.

BezugszeichenlisteReference List

11
KolbenPistons
1a1a
erstes die Mulde umfassendes Kolbensegmentfirst piston segment encompassing the bowl
1b1b
zweites Kolbenträgersegmentsecond piston carrier segment
22
Kolbenbodenpiston crown
33
Muldetrough
44
Kolbenbolzengudgeon pin
55
Pleuelstangeconnecting rod
5a5a
einem Ende der Pleuelstange, kleines Pleuelaugeone end of the connecting rod, small connecting rod eye
66
Kolbenlängsachselongitudinal axis of the piston
7a7a
unterer Anschlaglower stop
7b7b
oberer Anschlagupper stop
88th
hydraulische Verstelleinrichtunghydraulic adjustment device
8a8a
erste Kammerfirst chamber
8b8b
zweite Kammersecond chamber
99
Ölkreislaufoil cycle
9a9a
Zuführleitungsupply line
9b9b
Rückführleitungreturn line
9b'9b'
Abschnitt der Rückführleitungsection of the return line
9c9c
Überströmleitungoverflow line
9c'9c'
Ringspaltannular gap
1010
Brennraumcombustion chamber
1111
Rückschlagventilcheck valve
1212
weitere Kammeranother chamber
1313
Drosselelementthrottle element
1414
Ölkühlungoil cooling
14a14a
Kühlkanal cooling channel
εε
Verdichtungsverhältniscompression ratio
εmaxε max
maximal zulässiges Verdichtungsverhältnismaximum permissible compression ratio
ηn
Wirkungsgradefficiency
ηthηth
thermischer Wirkungsgradthermal efficiency
ss
Hubhub
Vcvc
Kompressionsvolumencompression volume
VhVh
Hubvolumen eines Zylindersswept volume of a cylinder

Claims (9)

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden (2) mit einer Mulde (3) aufweist, wobei der Kolben (1) - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum (10) eines zugehörigen Zylinders mit ausbildet, - unter Verwendung eines Kolbenbolzens (4) mit einem Ende (5a) einer Pleuelstange (5) gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (5) zur Koppelung des Kolbens (1) mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse (6) oszilliert, - modular aus mindestens zwei Segmenten (1a, 1b) aufgebaut ist, wobei ein die Mulde (3) umfassendes erstes Kolbensegment (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) - zwischen einem unteren Anschlag (7a) und einem oberen Anschlag (7b) - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment (1b) gelagert ist, und - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung (8) zum Verschieben des ersten Kolbensegments (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstelleinrichtung (8) - eine erste Kammer (8a) umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem unteren Anschlag (7a) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via eine Zuführleitung (9a) mit Öl beaufschlagbar ist, und - eine zweite Kammer (8b) umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem oberen Anschlag (7b) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via einer Rückführleitung (9b) mit einem Ölkreislauf (9) zumindest verbindbar ist, und - der Kolben mit einer Ölkühlung (14) ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal (14a) umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment (1b) erstreckt und das erste Kolbensegment (1a) umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung (9b) in den mindestens einen Kühlkanal (14a) der Ölkühlung (14) mündet. Piston (1) for an internal combustion engine for realizing a variable compression ratio ε, which has a piston crown (2) with a cavity (3), the piston (1) - together with a cylinder tube and a cylinder head, a combustion chamber (10) of an associated cylinder - can be connected in an articulated manner using a piston pin (4) to one end (5a) of a connecting rod (5), the connecting rod (5) for coupling the piston (1) to a crankshaft with another end to the crankshaft of the internal combustion engine can be connected in an articulated manner, - oscillates along a longitudinal piston axis (6) when the crankshaft rotates, - is constructed modularly from at least two segments (1a, 1b), a first piston segment (1a) encompassing the recess (3) moving along the longitudinal piston axis (6) - between a lower stop (7a) and an upper stop (7b) - is displaceably mounted in a second piston carrier segment (1b), and - with a hydraulic adjusting device direction (8) for displacing the first piston segment (1a) along the longitudinal axis (6) of the piston, characterized in that the hydraulic adjusting device (8) - comprises a first chamber (8a) which is located between the first piston segment (1a) and the lower stop (7a) of the second piston carrier segment (1b) and can be acted upon by oil via a supply line (9a), and - a second chamber (8b) which is located between the first piston segment (1a) and the upper stop (7b) of the second piston carrier segment (1b) and can be at least connected to an oil circuit (9) via a return line (9b), and - the piston is equipped with an oil cooling system (14) which comprises at least one cooling channel (14a) located in the second piston carrier segment (1b) and encloses the first piston segment (1a) circumferentially at least in sections, the return line (9b) opening into the at least one cooling channel (14a) of the oil cooling system (14). Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (8a) und die zweite Kammer (8b) via einer Überströmleitung (9c) hydraulisch miteinander verbunden sind.Piston (1) after claim 1 , characterized in that the first chamber (8a) and the second chamber (8b) are hydraulically connected to one another via an overflow line (9c). Kolben ( 1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (9c) als Ringspalt (9') zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem zweiten Kolbenträgersegment (1b) ausgebildet ist, der sich entlang der Kolbenlängsachse (6) erstreckt.Piston ( 1) after claim 2 characterized in that the overflow line (9c) is designed as an annular gap (9') between the first piston segment (1a) and the second piston carrier segment (1b), which extends along the longitudinal axis (6) of the piston. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (9a) ein Rückschlagventil (11) angeordnet ist, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer (8a) zulässt und einem Ölabfluss aus der ersten Kammer (8a) entgegenwirkt.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a check valve (11) is arranged in the supply line (9a), which allows an oil flow to the first chamber (8a) and counteracts an oil outflow from the first chamber (8a). Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (9b) eine weitere Kammer (12) angeordnet ist.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a further chamber (12) is arranged in the return line (9b). Kolben (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (9b') der Rückführleitung (9b) zwischen der weiteren Kammer (12) und der zweiten Kammer (8b) als Drosselelement (13) ausgebildet ist.Piston (1) after claim 5 , characterized in that a section (9b ') of the return line (9b) between the further chamber (12) and the second chamber (8b) is designed as a throttle element (13). Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kolbensegment (1a) unter Verwendung der hydraulischen Verstelleinrichtung (8) entlang der Kolbenlängsachse (6) verschoben wird, um das Verdichtungsverhältnis ε zu variieren.Method for operating an internal combustion engine with a piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first piston segment (1a) is displaced using the hydraulic adjusting device (8) along the piston longitudinal axis (6) in order to vary the compression ratio ε . Verfahren nach Anspruch 7 zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε bei einem Kaltstart und/oder in der Warmlaufphase erhöht wird.procedure after claim 7 for operating a self-igniting internal combustion engine, characterized in that the compression ratio ε is increased during a cold start and/or in the warm-up phase. Verfahren nach Anspruch 8 zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε nach einem Kaltstart und/oder nach der Warmlaufphase verringert wird.procedure after claim 8 for operating a self-igniting internal combustion engine, characterized in that the compression ratio ε is reduced after a cold start and/or after the warm-up phase.
DE102018210265.1A 2018-06-25 2018-06-25 Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston Active DE102018210265B4 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018210265.1A DE102018210265B4 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston
US16/450,803 US11193416B2 (en) 2018-06-25 2019-06-24 Methods and systems for a piston
CN201910546528.1A CN110630401A (en) 2018-06-25 2019-06-24 Piston for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine having such a piston

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018210265.1A DE102018210265B4 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102018210265A1 DE102018210265A1 (en) 2020-01-02
DE102018210265B4 true DE102018210265B4 (en) 2022-04-21

Family

ID=68886018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018210265.1A Active DE102018210265B4 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11193416B2 (en)
CN (1) CN110630401A (en)
DE (1) DE102018210265B4 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3807244C1 (en) 1988-03-05 1989-03-23 Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De
DE4005903A1 (en) 1990-02-24 1991-08-29 Mahle Gmbh Adjustable trunk-type piston - has drain passage from slipping in front of control chamber
DE19944669A1 (en) 1999-09-17 2001-03-22 Volkswagen Ag Device and method for changing the compression of a reciprocating piston internal combustion engine
EP2184496A1 (en) 2008-11-11 2010-05-12 HAWE Hydraulik SE Hydraulic gap seal
DE102009048172A1 (en) 2009-10-02 2011-04-07 Daimler Ag Piston for internal combustion engine of motor vehicle, has switchable valve device arranged at inner side at piston skirt and adjusting volume of pressurized medium in chamber, where valve device is designed as shut-off valve

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3156162A (en) 1963-06-26 1964-11-10 Continental Aviat & Eng Corp Variable compression ratio piston
US3311096A (en) 1965-07-07 1967-03-28 Continental Aviat & Eng Corp Variable compression ratio piston and valve
US3403662A (en) 1967-07-20 1968-10-01 Continental Aviat & Eng Corp Variable compression ratio piston assembly
US4016841A (en) 1975-09-10 1977-04-12 Teledyne Industries, Inc. Variable compression ratio piston
US4079707A (en) 1976-07-19 1978-03-21 Teledyne Industries, Inc. Variable compression ratio piston
US4809650A (en) 1986-10-09 1989-03-07 Nissan Motor Co., Ltd. Variable compression control arrangement for internal combustion engine
JPS63131839A (en) 1986-11-19 1988-06-03 Yanmar Diesel Engine Co Ltd Piston for internal combustion engine
DE3642524C1 (en) 1986-12-12 1987-07-23 Daimler Benz Ag Device for controlling the oil supply in a control chamber of a piston with variable compression height
US4864977A (en) 1987-07-03 1989-09-12 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Compression ratio-changing device for internal combustion engines
GB2223292B (en) * 1988-09-29 1992-04-15 T & N Technology Ltd Improvements in and relating to pistons
US5178103A (en) 1991-12-23 1993-01-12 Ford Motor Company Variable compression ratio piston
US5331928A (en) 1992-06-03 1994-07-26 Southwest Research Institute Variable compression piston
US5257600A (en) 1993-01-07 1993-11-02 Ford Motor Company Variable compression piston
US5476074A (en) 1994-06-27 1995-12-19 Ford Motor Company Variable compression height piston for internal combustion engine
JP4283271B2 (en) 2005-12-28 2009-06-24 本田技研工業株式会社 Variable compression ratio device for internal combustion engine
US7637241B2 (en) 2007-10-29 2009-12-29 Ford Global Technologies Pressure reactive piston for reciprocating internal combustion engine
US8151691B2 (en) 2008-12-04 2012-04-10 Southwest Research Institute Variable compression ratio piston with rate-sensitive response
EP2770578B1 (en) * 2011-10-21 2016-04-20 Nissan Motor Co., Ltd Fluid injection-type air battery
US9909527B2 (en) * 2014-08-27 2018-03-06 Federal-Mogul Llc Hybrid induction welding process applied to piston manufacturing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3807244C1 (en) 1988-03-05 1989-03-23 Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De
DE4005903A1 (en) 1990-02-24 1991-08-29 Mahle Gmbh Adjustable trunk-type piston - has drain passage from slipping in front of control chamber
DE19944669A1 (en) 1999-09-17 2001-03-22 Volkswagen Ag Device and method for changing the compression of a reciprocating piston internal combustion engine
EP2184496A1 (en) 2008-11-11 2010-05-12 HAWE Hydraulik SE Hydraulic gap seal
DE102009048172A1 (en) 2009-10-02 2011-04-07 Daimler Ag Piston for internal combustion engine of motor vehicle, has switchable valve device arranged at inner side at piston skirt and adjusting volume of pressurized medium in chamber, where valve device is designed as shut-off valve

Also Published As

Publication number Publication date
CN110630401A (en) 2019-12-31
US11193416B2 (en) 2021-12-07
US20190390597A1 (en) 2019-12-26
DE102018210265A1 (en) 2020-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE8234383U1 (en) CAM-ACTUATED PISTON MACHINE
DE10311358B4 (en) Reciprocating internal combustion engine, method for their operation and apparatus for adjusting the lifting function of a charge exchange valve
DE3326133C2 (en)
DE102009006633A1 (en) Internal combustion engine with extended expansion stroke and adjustable compression ratio
DE102009029808A1 (en) internal combustion engine
DD255567A5 (en) REGENERATIVELY WORKING SECONDARY PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE
DE1906171A1 (en) Internal combustion engine
DE102014220177A1 (en) Device for changing compression ratios
DE102020100311A1 (en) ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO
EP2772624A1 (en) Internal combustion engine operating according to the real four-stroke Atkinson cycle and method for load control
DE19724225A1 (en) Piston engine operating process
DE102017207644A1 (en) Method for changing a cylinder-related compression ratio e of a spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method
DE102012214659B4 (en) Length-adjustable connecting rod and method of operating an internal combustion engine with such a connecting rod
DE2514727A1 (en) Reciprocating IC vehicle engine - has adjustable variable profile cam for valves to vary compression ratio
DE102008038074A1 (en) Adjustment device for reciprocating engine, has eccentrically mounted piston bolt for connecting piston with piston rod, which is adjusted by adjusting element
DE102018210265B4 (en) Pistons for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with such a piston
DE2545668C2 (en) Self-igniting internal combustion engine of the opposed piston type
EP2792846A1 (en) Double crankshaft combustion engine
DE102019128935B4 (en) Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine
EP0126464B1 (en) Method of supplying combustion air to the combustion chamber of an internal-combustion engine
DD201927A5 (en) TWO STROKE COMBUSTION ENGINE
WO2011042083A1 (en) Internal combustion engine
DE4040274C2 (en) Reciprocating piston internal combustion engine with dead center that adjusts depending on temperature
DE102017207645A1 (en) Method for changing a cylinder-related compression ratio ε of an internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method
DE3920620A1 (en) ROTATION MACHINE

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: SEVENICH, FABIAN, DIPL.-ING., DE

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final